Выход из строя высоковольтного распределительного устройства и кабелей может стоить миллионы на ремонт, замену и штрафы.
Но большинство сбоев не происходят мгновенно — их можно предсказать по предупреждающим признакам, в первую очередь по частичному разряду (ЧР), который является широко используемым и очень эффективным показателем для оценки состояния высоковольтных установок.
Частичный разряд (partial discharge, ЧР) — это электрическая неисправность, возникающая внутри изоляционного материала высоковольтного оборудования, такого как трансформаторы, распределительные устройства и линии электропередач.
Это локальный электрический про бой небольшой части электроизоляции, твердой или жидкой, под воздействием высокого напряжения, не приводящий к полному короткому замыканию токопроводящих элементов.
Тестер частичного разряда
Изучение частичных разрядов, т.е. локальных разрядных процессов во внутренней изоляции высоковольтного оборудования, ведется многими специалистами у нас в стране и за рубежом уже в течение нескольких десятилетий.
Важнейшие результаты исследований в этой области, богатый опыт измерения характеристик частичных разрядов при разработке, изготовлении и эксплуатации различных изоляционных конструкций отражены в учебниках и учебных пособиях по технике высоких напряжений, обобщены в ряде монографий, изложены в большом числе статей и докладов. Библиография работ по частичным разрядам насчитывает сейчас более тысячи наименований.
Большой и постоянный интерес к частичным разрядам обусловлен тем, что частичные разряды являются основной причиной сложных и разнообразных процессов, возникающих при определенных условиях в любой внутренней изоляции под воздействием сильных электрических полей и ограничивающих, в конечном итоге, срок службы оборудования в целом.
Практически это означает, что допустимые рабочие и испытательные напряженности, а, следовательно, толщины и общие габариты внутренней изоляции, способы регулирования в ней электрических полей определяются в значительной мере характеристиками частичных разрядов.
В связи с этим выполнение работ по созданию изоляционных конструкций для новых типов оборудования, а также работ по совершенствованию уже освоенных промышленностью конструкций, непременно включаю-исследования характеристик частичных разрядов в соответствующих элементах внутренней изоляции.
Проявления частичных разрядов
Частичные разряды проявляются следующим образом:
-
Импульсные электрические токи циркулируют по конструкции электрооборудования, в котором происходит явление (импульсы тока в конечном итоге разряжаются на землю).
-
Ультрафиолетовое излучение, обычно коронный эффект, связано с испусканием электромагнитного излучения в диапазоне частот ультрафиолетового излучения.
-
Волны давления в воздухе, частота которых намного выше, чем может обнаружить слышащий здоровый человек, этот тип звука называется ультразвуком.
-
Звуковые волны, генерируемые частичными разрядами, имеют очень высокие частоты, достигающие порядка 100 МГц.
-
Повышенное давление газа при производстве в изоляторе, таком как масло внутри трансформатора.
-
Химические реакции при наличии жидких изоляторов, таких как масло в трансформаторах и другом энергетическом оборудовании.
Классификация частичных разрядов
Различают три типа частичных разрядов: коронный разряд, поверхностный частичный разряд и внутренний частичный разряд.
Коронный разряд
Коронный разряд является наиболее распространенным типом из частичных разрядов и наименее вредными. Их присутствие можно ощутить под высоковольтной воздушной линией во влажный день. Они проявляются через слышимый характерный звук. Подробное описание этого явления смотрите здесь - Коронный разряд.
Поверхностный частичный разряд
Поверхностные частичные разряды возникают на поверхности изолирующих элементов. Наиболее распространенными причинами их образования и факторами, повышающими их активность, являются поверхностное загрязнение и влажность.
Нежелательным эффектом воздействия поверхностного частичного разряда является обугливание наружной части изоляции, эрозия изоляции и образование характерного древесного нароста.
На ранней стадии ультразвуковые волны, генерируемые активностью поверхностных частичных разрядов, легко обнаруживаются ультразвуком в диапазоне 40 кГц с использованием соответствующих инструментов. В некоторых случаях и на разных стадиях эти разряды издают звуковой сигнал с характерным звуком, подобным коронным разрядам.
Поверхностные разряды вызывают соединение паров воды с оксидами азота с образованием азотной кислоты, которая разъедает металлические конструкции оборудования и приводит к их усиленной коррозии. Азотная кислота также губительно действует на поверхность утеплителя, так как может способствовать образованию деревьев.
Поверхностные частичные разряды менее распространены, чем коронные разряды, но они гораздо более вредны из-за того, что способствуют непосредственному разрушению изоляции. Поскольку они часто вызваны грязью в изоляции и влажностью воздуха, при ранней диагностике их можно полностью удалить путем тщательной очистки изолятора.
Снижение влажности воздуха, например, за счет повышения температуры, также может деактивировать поверхностный частичный разряд.
Внутренние частичные разряды
Внутренние частичные разряды возникают внутри изоляционного материала. Они обусловлены качеством процесса производства изоляции, качеством материала, конструкцией и возрастом. Эти разряды обычно возникают в воздушных промежутках внутри изоляционного материала. Этот материал может быть твердой или жидкой изоляцией (например, трансформаторное масло).
Поскольку электрическая прочность зазора значительно ниже, чем у окружающей изоляции, величина электрического поля вдоль зазора больше по сравнению со значением поля изоляции, окружающей зазор. Если величина поля вдоль промежутка превышает величину пробивного напряжения, возникает явление частичного разряда.
Образовавшиеся проколы являются источником тепла, света, дыма, звука и электромагнитных волн. Однако возможно обнаружение только электромагнитных волн, так как другие явления надежно защищены окружающей изоляцией.
Эта микроскопическая разрядная активность вызывает внутреннюю эрозию изоляции вокруг существующих зазоров, увеличивая их, и, следовательно, увеличивается энергия, выделяемая при каждом разряде.
Происходит карбонизация внутренней поверхности зазора, что делает его все более проводящим и увеличивает напряженность электрического поля на соседнем зазоре, который может еще не быть проводящим.
Когда внутри изоляционного материала имеется достаточное количество токопроводящих промежутков, его изолирующая способность снижается даже при нормальных условиях эксплуатации. На практике эти разряды самые редкие.
Они же являются и наиболее опасными из трех видов разряда, так как их наличие никак не может быть обнаружено оператором высоковольтного оборудования без применения специализированных средств диагностики.
Развивающиеся и неконтролируемые внутренние частичные разряды могут привести к неожиданным и опасным отказам в работе высоковольтного оборудования.
Причины возникновения частичных разрядов
Частичный разряд вызывается несколькими причинами, такими как дефекты изготовления, дефекты монтажа, старение и износ, перенапряжение в процессе эксплуатации, коронный разряд, поверхностный разряд и каверны.
Одной из частых причин частичного разряда является уменьшение диэлектрической проницаемости и, следовательно, увеличение напряженности электрического поля из-за наличия пустоты или дефект внутри диэлектрика, приводящий к разряду через пустоту, который не нарушает проводники, но может ухудшаться со временем из-за длительных электрических напряжений, увеличивающих физический размер пустоты.
Частичный разряд определяется стандартом IEC60270 как: «локальный электрический разряд, который лишь частично шунтирует изоляцию между проводниками и который может или не может возникнуть рядом с проводником. Частичные разряды, как правило, являются следствием локальных концентраций электрических напряжений в изоляции или на поверхности изоляции. Обычно такие разряды проявляются в виде импульсов длительностью намного меньше 1 микросекунды».
Эти разряды могут увеличиваться с течением времени, если дефект становится физически больше из-за таких повреждений, как образование трех слоев (растрескивание изоляции, окружающей пустоту), вызванное длительным дуговым разрядом через пустоту, что в конечном итоге приводит к катастрофическому отказу, когда пустота настолько велика, что потенциал способен пробить внутренний и внешний проводники (так называемое перекрытие).
Неисправности частичного разряда чаще возникают на старых высоковольтных установках, где длительное воздействие постоянных изменений условий окружающей среды может ускорить износ изоляционного материала, например, тепловое расширение и сжатие.
Обнаружение и мониторинг частичных разрядов может дать представление о текущем состоянии неисправности и позволяет критически оценивать любые изменения состояния с течением времени. Индикация того, что неисправность усугубляется, позволяет принять меры до того, как произойдет полная неисправность.
Непрерывный мониторинг частичных разрядов
Традиционные методы обнаружения частичных разрядов
Было предложено множество методов обнаружения частичных разрядов, так как было замечено их разрушительное воздействие на изоляцию высоковольтного оборудования. Существующие методы можно разделить на инвазивные (традиционные) методы и неинвазивные (альтернативные) методы.
Традиционные методы обнаружения частичных разрядов, которые включают устройства с гальваническим контактом, высокочастотные трансформаторы тока и датчики переходного напряжения на землю (TEV-датчики), предоставляют очень точную и подробную информацию о любой активности частичных разрядов в наблюдаемом оборудовании благодаря тесной связи датчика с частью установки, такой как трансформатор или распределительное устройство.
Эта информация включает в себя кажущийся заряд и спектры, указывающие на тип отказа частичного разряда, а также на прогрессирование любого отказа с течением времени.
Однако из-за требования тесной связи с каждой наблюдаемой частью установки каждый датчик способен контролировать только оборудование, к которому он подключен, что требует отдельных датчиков для каждого контролируемого элемента установки.
Следовательно, обширный мониторинг высоковольтного оборудования на крупной подстанции с использованием этих методов будет затруднен из-за необходимости большого количества проводов, а также сложности необходимой системы сбора данных.
Кроме того, реконфигурация системы, если потребуется, будет сложной и, вероятно, дорогостоящей из-за объема ручного труда, необходимого для физического повторного подключения датчиков, а также конструкции и стоимости сменного жгута проводов.
Однако, проводные методы используются в нескольких отраслях промышленности, поскольку прямое подключение к устройствам предпочтительнее в некоторых случаях, где требуется мониторинг отдельного отдельного компонента.
Кроме того, во многих случаях предпочтение отдается прямому соединению только потому, что оно более чувствительно и невосприимчиво к шуму и помехам.
Даже в этом случае может быть сложно обеспечить достаточную чувствительность для обнаружения и локализации неисправности в компоненте.
Например, в случае трансформаторов с металлическими корпусами для распознавания и локализации источников частичного разряда внутри трансформатора необходимо разместить датчики внутри корпуса, так как практически никакой сигнал не может распространяться через вводы.
Альтернативные методы обнаружения частичных разрядов
Были предложены и разработаны различные альтернативные методы обнаружения, мониторинга и измерения частичных разрядов.
К ним относятся оптические измерения, акустические методы и радиометрические методы, которые используют электромагнитную волну дальнего поля, распространяющуюся от источника частичного разряда из-за тока, разряжаемого над пустотой.
Оптическое измерение частичных разрядов включает использование волоконно-оптических датчиков и зондов для обнаружения ионизации в нефтяных и газовых диэлектриках путем обнаружения света, излучаемого в процессе ионизации.
К преимуществам оптических методов измерения частичных разрядов относятся невосприимчивость к электромагнитным помехам, а также изоляция от высоковольтного оборудования благодаря использованию световой связи. Однако недостатком является требование, чтобы каждый датчик был физически подключен к тестируемому объекту.
Акустические методы включают улавливание локализованных акустических излучений от источника частичного разряда с помощью аудиодатчиков. Захваченные акустические эмиссии можно сопоставить с известными переходными акустическими паттернами частичного разряда, чтобы оценить, является ли полученный сигнал источником частичного разряда.
Как и в случае оптического обнаружения, акустические методы имеют то преимущество, что они невосприимчивы к электромагнитному излучению. Трудностью с этим типом измерения является восприимчивость к местному окружающему шуму.
Кроме того, акустические измерения страдают из-за непредсказуемости путей распространения и затухания, что ограничивает максимальную измеряемую толщину диэлектрика.
Радиометрическое измерение частичного разряда использует электромагнитный сигнал, который распространяется от источника частичного разряда из-за тока через пустоту. Этот радиометрический сигнал измеряется с помощью радиоприемника, расположенного на определенном расстоянии от источника частичных разрядов.
Радиометрическое обнаружение частичных разрядов имеет различные преимущества, такие как простота установки, сравнительно низкая стоимость и возможность масштабирования.
Различные недостатки включают восприимчивость к электромагнитным помехам, включая локально передаваемые радиосигналы, и ограниченную дальность действия из-за чувствительности датчика и среды распространения.
Сверхвысокочастотное устройство PDS100, используемое для измерения частичных разрядов
Методы радиометрического измерения частичных разрядов
За последние 20 лет радиометрическое измерение частичных разрядов претерпело множество изменений благодаря простоте установки и изменения конфигурации по сравнению с другими методами измерения частичных разрядов.
Радиометрическое обнаружение частичных разрядов использует широкополосные радиоприемники для обнаружения и измерения электромагнитно излучаемого УВЧ-сигнала, распространяющегося от источника частичных разрядов.
Как правило, для обнаружения и локализации источника частичного разряда можно использовать несколько радиометрических датчиков, расположенных на расстоянии не менее нескольких метров друг от друга.
Радиометрическое обнаружение частичных разрядов обеспечивает простую, неинтрузивную установку и простую перенастройку при необходимости.
Этот метод представляет собой альтернативу, которая имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами измерения частичных разрядов, поскольку не требует гальванического или физического контакта с объектом наблюдения. Таким образом, один радиометрический датчик способен одновременно контролировать несколько элементов высоковольтного оборудования.
Использование тестера для мониторинга частичных разрядов, предназначенного для использования на работающей подстанции. Без необходимости отключения оборудовнаия, такой тестер может обнаружить частичный разряд всего за несколько секунд, что делает его идеальным инструментом для программы технического обслуживания.
Некоторые беспроводные подходы к обнаружению и мониторингу частичных разрядов используют силу принятого сигнала электромагнитной энергии, распространяемой от источника частичного разряда, в то время как более продвинутые методы обнаруживают частичных разрядов, используя разность времени приема для набора измерительных датчиков, например время прихода и разница во времени прибытия.
Каждый метод имеет преимущества и ограничения в отношении стоимости, сложности, точности и эффективности.
Спектры настоящего частичного разряда (синий), накладывающийся на базовую линию (черный)
Демонстрация того, как частичные разряды можно наблюдать во временной области в виде всплесков время от времени восходящих и падающих фронтов кривой напряжения
Как указывалось ранее, заряд, смещенный при повреждении изоляции, приводит к распространению электромагнитного сигнала от источника разряда. В то время как фактический ток, разряжающийся в месте повреждения, представляет собой импульс с временем спада порядка 1–1000 нс, результирующий радиометрический сигнал имеет сходство с классическим затухающим колебанием с частотным диапазоном порядка 50–3000 МГц.
Частота радиометрического сигнала зависит от резонансной структуры дефекта изоляции, что приводит к узкополосному отклику. Среда распространения эффективно фильтрует низкие частоты в этом диапазоне частот до 50–800 МГц, при этом большая часть частотного содержимого находится ниже 300 МГц.
Различные радиоприемники способны обнаруживать и измерять передаваемый сигнал частичного разряда; однако сложностью радиометрического контроля является восприимчивость к любым электромагнитным помехам.
Для обеспечения того, чтобы эти локально передаваемые сигналы не мешали радиометрическому измерению частичных разрядов, требуется некоторое знание типичного частотного состава различных типов радиометрических сигналов частичных разрядов, таких как те, которые распространяются из-за повреждений изоляции в трансформаторах, распределительных устройствах и линиях электропередачи.
Смотрите также: Использование акустической визуализации для мониторинга частичных разрядов